Halo semua kembali lagi di blog kami, hari ini kita akan membahas lebih lanjut mengenai kapasitor nih. Mulai dari pengertian, jenis-jenis kapasitor, dan di bagian akhir kita akan melakukan percobaan melalui animasi excel. Untuk percobaan kali ini kita akan memanfaatkan salah satu animasi excel dari : http://profmikra.org/?p=1504 . Dalam melakukan percobaan ini saya tidak hanya sendirian, tetapi secara berkelompok, berikut adalah anggota kelompok saya.
(Gambar 1, Anggota kelompok)
Nah tapi sebelum kita masuk ke percobaan dengan menggunakan animasi excel, akan lebih baik jika kita mengenal apa itu kapasitor dan pengertian serta efek-efek bahan yang digunakan pada kapasitor itu sendiri, adapun untuk materi yang akan kita bahas mengenai kapasitor sebaga berikut ini.
(Gambar 2, Daftar Isi)
A. Pengertian Kapasitor
Pada tahun 1746 di Universitas Leyden, seorang ilmuwan asal Jerman bernama Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) melakuka percobaan untuk menyimpan sejumlah besar muatan listrik. Ilmuwan asal Jerman ini akhirnya menghasilkan suatu peralatan yang dikenal dengan Botol Leyden.
(Gambar 3, Botol Leyden)
Mediastorehouse.com
Botol Leyden merupakan sebuah botol berbahan dasar kaca dengan sisi dalam dan sisi luar botol tersebut dilapisi dengan daun logam. Selain itu bagian atas botol ditutup dengan sebuah tutup berbahan kayu dan diberikan lubang untuk tempat sebuah batang logam. Seutas rantai logam melengkapi ujung batang logam yang masuk melalui lubang tutup botol, sedangkan ujung rantai lainnya menyentuh lapisan logam dinding bagian dalam botol. Lapisan luar daun logam dibumikan (ditanahkan). Kemudian batang logam sebagai konduktor dibawa mendekati suatu mesin elektrostatis yang dianggap bermuatan positif. Ketika konduktor bersentuhan dengan mesin, maka muatan negatif konduktor akan mengalir ke dalam mesin. Sehingga dapat dihasilkan bahwa muatan positif tertinggal di lapisan dinding dalam logam dan lapisan dinding dalam logam menarik muatan negatif dari lapisan logam dinding luar, dimana nuatan negatif tersebut berasal dari bumi melalui kawat pembumian.
Proses tersebut diulangi beberapa kali sehingga menghasilkan muatan yang sangat besar dalam botol, dan ketika proses pemuatan telah selesai pembumian diputuskan. Selain itu, muatan daat disimpan dengan waktu yang lama dengan syarat botol harus bersih dan kering serta berada diruangan yang tidak lembab. Nah kalian tahu tidak, kalau botol Leyden ini menjadi dasar untuk penelitian listrik selama 50 tahun selanjutnya setelah ditemukan. Dimana Botol Leyden sendiri menjadi "kondenser" pertama yang kita sebut sebagai "Kapasitor", yaitu suatu alat yang dapat menyimpan muatan dan energi listrik.
(Gambar 4, Pengertian Kapasitor)
Setelah membahas mengenai asal mula dari kapasitor tadi, kita sekarang dapat membahas mengenai pengertian dari kapasitor nih. Kapasitor merupakan suatu komponen elektronika yang memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan-muatan elektron dalam waktu yang tidak dapat ditentukan atau dalam jangka waktu panjang. Nah kalian juga perlu tahu nih kalau kapasitor memiliki sifat yang berbeda dengan akumuulator karena dalam menyimpan muatan listrik pada kapasitor tidak ada perubahan kimia. Secara prinsip kapasitor tersusun atar dua keping konduktor yang dimana ruang antara kedua keping tersebut diisi oleh dielektrik (penyekat) misalnya udara atau kertas. Bahan-bahan dielektrik yang umumnya dikenal juga seperti keramik, gelas, elektrolit, dan lainnya. Nah ketika kedua ujung keping konduktor / plat metal tersebut diberikan tegangan lstrik maka kedua plat akan berisikan muatan-muatan yang besarnya sama namun jenisnya berlawanan (muatan positif dan muatan negatif).
Muatan positif tidak dapat mengalit menuju ujung kutup negatif begitupun sebaliknya, karena kedua muatan tersebut terpisah oleh bahan dielektrik yang sifatnya non-konduktif. Muatan elektrik ini akan tersimpan selama tidak ada konduksi yang bersentuhan dengan ujung-ujung plat metal. Nah kalian tahu engga, kalau kemampuan untuk menyimpan muatan pada suatu kapasitor ini disebut dengan kapasitansi atau kapasitas.
Satuan dari kapasitansi atau kapasitar yaitu adalah farad. Farad merupakan ukuran kapasitar yang sangat besar sehingga ukuran kapasitas kapasitor yang sering digunakan dinyatakan dalam mikrofarad, nanofarad, dan pikofarad. Untuk lebih jelasnya berikut adalah konversi satuan farad:
1. 1 Farad = 1.000.000µF (mikro Farad)
2. 1µF = 1.000nF (nano Farad)
3. 1µF = 1.000.000pF (piko Farad)
4. 1nF = 1.000pF (piko Farad)
Nah selain itu kira-kira kalian tahu engga apa aja fungsi dari kapasitor?
I. Fungsi Kapasitor
Berikut ini adalah beberapa fungsi Kapasitor, antara lain :
1. Sebagai penyaring atau filter.
Terdapat / dimiliki oleh televisi, Radio, amplifier dan barang elektronik lainnya. Penyaring pada radio berfungsi untuk menyaring hambatan dari luar.
2. Sebagai Penghubung atau kopling.
Fungsi ini biasanya ada pada amplifier untuk menghubungkan amplifier tingkat rendah ke amplifier tingkat tinggi.Jika diterapkan pada power supply berperan sebagai kopling atau penghubung antara satu rangkaian dengan rangkaian lainnya.
3. Sebagai Lampu Neon.
Kapasitor juga mampu mengkonversi energi menjadi cahaya, dengan tujuan untuk menghemat daya listrik yang digunakan.
4. Pembangkit Frekuensi
Fungsi ini biasanya diterapkan pada antena.
5. Loncatan listrik.
Seringkali terjadi loncatan listrik pada kumparan yang menyebabkan terputusnya arus listrik.
6. Menghidupkan mobil
Biasanya pada rangkaian yang terdapat di dalam mobil, kapasitor ini berfungsi untuk menghidupkannya.
7. Menangkap gelombang informasi
Kapasitor pada pesawat berfungsi untuk memilih gelombang informasi yang ditangkap. Biasanya akan memilih frekuensi yang panjang.
8. Sebagai penyimpan tegangan listrik sementara.
Sebagai konduktor pada Arus AC (Alternating Curren).
9. Sebagai isolator
Fungsi kapasitor ini terdapat pada arus DC( Direct Curren) kapasirot berfungsi sebagai isolator atau penghambat arus masuk.
10. Memilih gelombang frekuensi
Jika kapasitor yang digabungkan dengan Osilator dan spul antena maka dapat berfungsi untuk memilih gelombang frekuensi.
11. Penggeser fasa.
II. Jenis-jenis Kapasitor
(Gambar 5, Jenis-jenis Kapasitor)
Kapasitor memiliki berbagai macam bentuk, ukuran, dan jenisnya yang masing-masing dari jenis kapasitor disesuaikan dengan kebutuhan penggunanya sendiri. Berdasarkan jenisnya, kapasitor dibagi menjadi tiga macam yaitu :
1. Kapasitor Nilai Tetap (Fixed Capasitor)
Kapasitor nilai tetap merupakan kapasitor yang memiliki nilai kapasitas / kapasitansi yang tidak mengalami perubahan atau tetap. Beberapa jenis kapasitor nilai tetap antara lain:
a. Kapasitor Keramik (Ceramic Capasitor) : merupakan kapasitor yang bernilai tetap serta bahan keramik berperan sebagai dielektrik. Kapasito ini dibentuk dari dua atau lebih lapisan bolak-balik dari keramik dan lapisan logam yang berperan sebagai elektroda.
b. Kapasitor Poliester : Merupakan kapasitor yang terdiri dari pelat logam dengan film poliester di antaranya, atau film berlapis logam pada isolator. Dianggap sebagai standar untuk banyak aplikasi DC dimana biaya adalah pertimbangan utama untuk nilai toleransi yang rendah.
c. Kapasitor Kertas : Disebut juga kapasitor padder, merupakan kapasitor yang menggunakan kertas sebagai bahan dielektrik untuk menyimpan muatan listrik pada kedua plat metal.
2. Kapasitor Elektrolit (Electrolytic Condenser)
Kapasitor elektrolit atau sering disebut juga Elco biasanya berbentuk tabung dengan dua kutub kaki yaitu negatif dan positif. Nilai kapasitas yang dimiliki yaitu sekitar 0.47 mikroFarad- ribuan mikroFarad dengan besar tegangan yang bekerja dari beberapa volt - ribuan volt.
3. Kapasitor Variabel
Kapasitor variabel merupakan kapasitor yang kapasitasnya dapat berulang kali diubah secara mekanis ataupun elektronik. Kapasitor variabel merupakan kapasitor yang menggunakan konstruksi mekanis untuk mengubah jarak antara pelat atau jumlah luas permukaan pelat. Terdapat dua jenis kapasitor variabel, antara lain :
a. Varco (Variabel Condensator) : kapasitor variabel jenis ini biasanya digunakan pada radio untuk menentukan gelombang pada rangkaian radio. Pada jenis kapasitor ini memiliki nilai kapasitas maksmal sekitar 100pikoFarad-500pikoFarad.
b. Trimmer Kondensator : kapasitor variabel jenis ini biasanya dihubungkan pada rangkaian paralel sebagai pengatur untuk memilih frekuensi gelombang. Pada jenis kapasitor ini memiliki nilai kapasitas dibawah 100pikoFarad.
B. Pengisian Kapasitor
Pada subbab sebelumnya kita sudah membahas bahwa kapasitor memiliki fungsi untuk menyimpan muatan listrik, dimana kemampuan atau fungsi tersebut disebut dengan kapasitansi. Selain itu kita juga sudahmembahas bahwa ketika kapasitor dihubungkan dengan sumber tegangan maka muatan positif dan muatan negatif akan mengisi plat metal yang berbeda satu dengan yang lainnya hingga mencapai muatan maksumal dengan besaran yang sama serta memenuhi persamaan Q = CV.
Lalu bagaimana jika kita melakukan pengisian kapasitor dengan sumber muatannya baterai? Karena muatan dari baterai harus mengalir ke arah pelat kapasitor maka dibutuhkan waktu untuk mengisi kapasitor. Perhatikan infografis di bawah ini untuk memahami pengisian kapasitor.
(Gambar 6, Pengisian Kapasitor dengan Baterai)
Berdasarkan penjelasan pada infografis diatas kita dapat memahami bahwa pengisian kapasitor dengan menghubungkan langsung kapasitor ke sumber tegangan hampir memerlukan waktu = 0 dalam mengisi penuh kapasitor. Dimana ketika saklar dinyalakan maka muatan pada baterai akan berpindah ke pelat kapasitor dan dalam waktu sekejam saja kapasitor dapat penuh. Namun cara tersebut memiliki risiko yang besar karena arus yang mengalir dari baterai menuju pelat kapasitor akan terlalu besar dan dapat berkemungkinan merusak kapasitor atau sumber tegangan. Jika waktu tumbuhan sangat singkat maka gaya yang akan dihasilkan juga akan sangat besar, karena arus yang mengalir dari baterai menuju pelat kapasitor sama seperti impuls pada proses tumbukan. Oleh karena itu menghubungkan kapasitor secara langsung dengan sumber tegangan dapat berbahaya dan tidak efektif sifatnya.
Untuk mengamankan hal tersebut, oleh karena itu pada rangkaian pengisian kapasitor perlu ditambahkan sebuah tahanan karena arus yang dialirkan tidak boleh terlalu besar. Tanahan pada rangkaian kapasitor berfungsi untuk memperkecil arus yang mengalir menuju kapasitor, namun efek sampngnya tentu kita membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mengisi kapasitor. Waktu tersebut akan menentukan lamanya tegangan antara dua kaki kapasitor besarnya sama dengan tegangan pada sumber tegangan atau baterai.
C. Efek Bahan Dielektrik
Setelah membahas mengenai bahan-bahan dari struktur sebuah kapasitor kita tahu bahwa di antara kedua plat metal / kaki dari kapasitor terdapat ruangan / bahan dielektrik yang menghubungkan kedua muatan tak sejenis pada dua plat metal kapasitor tersebut. Lalu apa efek dari bahan dielektrik? Silahkan perhatikan dan pahami infografis dibawah ini sebelum masuk ke penjelasannya!
(Gambar 7, Efek Bahan Dielektrik)
Berdasarkan sifat kelistrikannya bahan dielektrik dapat kita kelompokkan menjadi bahan isolator, semikonduktor, dan konduktor. Bahan isolator atau dielektrik merupakan bahan yang sifatnya sukar / sulit menghantarkan listrik, sehingga biasa disebut dengan listrik statik. Sedangkan bahan dielektrik sendiri dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu :
1. Polar : Molekul dielektrik polat merupakan molekul dielektrik yang dalam keadaan tidak terdapat medan listrik antara elektron dan intinya sudah membentuk dipol.
2. Non-polar : Molekul dielektrik non-polar, saat tidak terdapat medan listrik antara elektron dan intinya tidak terlihat seperti dua muatan terpisah.
Bahan dielektrik antara dua kutub merupakan susunan mikroskop yang terdapat dalam ruang tanpa udara yang terdiri atas muatan positif dan negatif serta pusatnya tidak terhubung satu dengan yang lainnya. Muatan-muatan tersebut terikat pada tempatnya oleh gaya atomik dan molekular dan hanya bergerak sedikit saja jika mendapat medan eksternal, muatan ini merupakan muatan terikat, berlawanna dengan muatan yang dapat diperlakukan sebagai sumber medan elektrostatik.
Bagaimana dengan sifat atau karakteristik bahan dielektrik? Sifat yang dimiliki oleh bahan dielektrik antara lain dapat bersifat cairan, padat, dan gas yang berbentuk kristal atau bukan, adalah kemampuan untuk menyimpan energi listrik. Penyimpana energi tersebut terjadi dengan adanya gaya pergerakkan relatif kedudukan muatan positif internal dan muatan negatif internal terhadap suatu gaya atomik dan molekular yag normal. Pergeseran terhadap gaya pemulih mirip dengan pengangkatan suatu benda atau perengangan pegas dan merupakan suatu proses perubahan energi potensial. Sumber energinya merupakan medan eksternal, perpindahan muatan yang bergeser dapat menghasilkan arus transien melalui baterai yang menghasilkan medan.
Mekanisme perpindahan muatan pada setiap bahan dielektrik selalu berbeda-beda, beberapa molekul berkutub polar mempunya pergeseran permanen antara pusat positif dan pusat muatan negatif, dan setiap pasang muatan sebagai dwikutub. Dwikutub bekerja dan mengarahkan molekul-molekul tersebut pada arah tertentu. Medan yang kuat akan menimbulkan pergeseran lagi antara muatan positif dan negatif. Sedangkan, molekul tak berkutub (molekul nonpolar) tidak mempunyai susunan dwikutub sebelum dikerjakannya medan ekternal. Muatan positif dan negatif akan bergeser dalam arah berlawanan terhadap gaya tarik menarik, sehingga nantinya akan menyebabkan dwikutub mempunyai arah yang sama dengan medan listriknya.
Jika satu lembar bahan dielektrik diletakkan diantara kedua plat kapasitor, maka beda potensial yang dihasilkan akan berkurang. Jika bahan dielektrik dilepas, maka potensialnya akan kembali pada potensial semula. Hal tersebut dapat terjadi karena C= Q / V, dari persamaan tersebut kita bisa tahu bahwa V berbanding terbalik dengan C. Maka jika nilai V berkurang karena adanya bahan dielektrik menyebabkan kapasitansi kapasitor bertambah.
Efek lain dari bahan dielektrik yaitu penambahan penurunan potensial yang menyebabkan kerja tegangan menjadi paling tinggi. Meningkatnya kapasitansi akan menyebabkan polarisasi pada bahan dielektrik tersebut. Jika penyekat (dielektrik) diletakkan didalam medan listrik, muatan positif dan muatan negatif atom pada bahan dielektrik akan menjadi terpisah. Muatan positif terarah sesuai arah medan dan muatan negatif ke arah sebaliknya. Kedua permukaan muatan induksi pada dielektrik akan menghasilkan medan yang arahnya berlawanan dengan medan luar. Sehingga, intensitas medan kapasitor menjadi berkurang, selisih potensial pelat kapasitor juga akan berkurang.
D. Rumus Kapasitor
Nah temen-temen fisikan semuanya, kalau tadi kita sudah membahas bahwa kapasitor dibagi menjadi 3 jenis yaitu kapasitor elektrolit, variabel, dan nilai tetap. Rumus pada kapasitor juga dibagi menjadi 3 macam berdasarkan bentuk dari kapasitor, yaitu : kapasitas kapasitor, kapasitor bola, dan kapasitor keping sejajar. Berikut ini adalah infografis penjelasan rumus kapasitor berdasarkan bentuk kapasitornya !
(Gambar 8, Rumus Kapasitor)
E. Simulasi Percobaan Kapasitansi Kapasitor
Dalam percobaan kali ini, kami menggunakan animasi excel fisika. Jika kalian juga ingin melakukan percobaan kapasito ini, kalian bs mendownloadnya melalui link berikut : http://profmikra.org/?p=1504
Dalam percobaan kali ini kami membuat 6 kali percobaan dengan variasi yang berbeda sehingga pada akhirnya kita bisa menghasilkan kurva yang menunjukkan perbedaan antara 6 percobaan tersebut. Untuk lebih jelasnya perhatikan penjelasan di bawah ini.
Demikian penjelasan mengenai Kapasitor mulai dari pengertian sampai ke percobaan dengan menggunakan animasi excel. Semoga kalian dapat semakin memahami materi tentang kapasitor ini yah, sampai jumpa dipembahasan berikutnya !💃👋
